计算机图形学教学改革与探讨

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　　摘要：计算机图形学的应用越来越广泛，已成为计算机科学中最为活跃的分支之一。但如何更好地指导教学，激发学生学习兴趣，帮助学生明确学习目标，提高教学效率仍是一个值得探讨的课题。本文对计算机图形学教学过程中存在的问题进行分析，提出以学生为主体，以实践为主导，拓宽思维，加强案例教学，科学考试模式及评价等几个方面展开讨论，为下一步提高新时期计算机图形学教学效果奠定基础。
　　关键词：计算机图形学；教学改革；案例教学；拓宽思维
　　中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）49-0152-02
　　一、引言
　　计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容是如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示相关原理与算法。计算机图形学虚拟了真实的现实环境，生成视觉感强的真实感图形。
　　计算机图形学是计算机科学与技术专业的一门必修课程，该课程主要介绍了计算机图形学的基本概念、构成不同图形所需要的元素、生成图形的算法等，其研究内容也极其广泛，如虚拟场景模拟，动态仿真等，该课程可以让学生加深对计算机的理解，同时又可以提高学生解决实际问题的能力。然而，计算机图形学强调学生需要具备较强的数学功底以及较好的编程能力，所以，学生在学习过程中普遍感到枯燥无味，无法吸收，难以达到应有效果。本文分析了计算机图形学的课程特点及教学中存在的问题，提出解决问题的个人见解，适时引入OpenGL3D实验平台，有效地激发了学生学习的兴趣，对晦涩的理论知识有了感官上的理解和认识，降低了教学难度。
　　目前，计算机图形学课程教学存在以下几个问题。从课程理论内容来看，计算机图形学的理论晦涩难懂，计算机图形学是建立在图论、现代数学和计算机科学基础上的一门新兴学科。涉及计算几何、图像处理、模式识别等多个学科的相关知识。学科交叉繁杂，使该学科成为一门以数学为基础、算法为主线的强理论、重实践的课程。因此学生体会到学习理论知识抽象。计算机实现算法难度较大。故而渐渐地失去了学习的兴趣。
　　从实际应用角度来说，计算机图形学快速发展，越来越多的开源图形学项目被广泛应用到我们的生活中，其中，比较著名的有OpenGL，Direct3D，Unity3D等，这些软件不仅仅集成了图形学的原理及数学公式，同时具有良好的视觉效果。然而，在高校的实验环境中，C/C++作为编程工具，沿用至今，使得学生实现起来难度太大，特别是绘制模型的实现。
　　从学生的角度来说，对于面向以程序员为职业的同学，复杂的数学公式的推导属于画蛇添足。既浪费了学生学习的时间，也浪费了学生学习的精力。对于面向以考研的同学来说，这部分内容缺乏新意，只涉及到简单的2D图形的变换，建模，没有深层次的研发设计，难以给学生以启发，引导学生迸发智慧火光。
　　从课程实验内容来看，实验部分偏少。并且大部分都是验证性实验，没有创新性，难以引起学生的学习兴趣。计算机图形学需要需要大量实践的内容，不断的实践才能让学生真正理解计算机图形学的精髓。否则，就无法体验到计算机图形学带给他们的神奇，更无法激起学生们的学习热情，更不用说学习的目标性。依葫芦画瓢成为了学生上实验课程的通病，没有实际价值，对于没有充分实验的学生们来说，没有得到有价值的锻炼，收益颇浅。
　　从课程教学时间来看，这门课程被安排在了大四上学期。这一学期是大学生最为忙碌的一段时间。一部分学生为考研究生而努力，一部分学生为出国留学在艰苦奋斗，还有一部分学生为实习找工作而焦头烂额，真正一心一意、认认真真来上课的学生凤毛麟角。挣得学分、顺利毕业成为了学生来上这门课程的主要动机。学生自主学习的态度不端正，学习的目标性不明确，动力自然不足，学习效果可想而知。
　　针对上述问题，文章将从自身课堂教学实践出发，探讨如何有效指导教学，以提高学生对计算机图形学课程的学习兴趣，更好明确学生学习方向和目标，提高教学质量。
　　二、计算机图形学教学改革模式
　　（一）精简理论内容，增加实践机会
　　理论是实践的基础，任何一件事情总必先有理论，后有实践，缺乏理论，实践就像是失去控制的方向盘；缺乏实践，一切都将只是纸上谈兵。计算机图形学，是一门实践重于理论的学科。换句话说，以学生熟练使用为目的，以能将理论应用于实践为行动方针，简单阐述复杂的数学公式推导，图形学原理，将更多的时间花费在软件的编程，效果图的呈现上。现有计算机图形学教学大多采用传统的教学方法，这仅适合于“面向理论”的教学目标与内容，而有悖于新时期的人才培养目标与趋势。因此，在教学内容上，主要需要从图形学的使用者角度来讲解计算机图形学的必备理论与概念，摒弃不必要的数学知识与公式推导，不追求“罗列式的全面”，而追求“使用型的精炼”。
　　（二）拓宽思维，合理分配实验环节
　　实验是增强学生动手操作能力的重要途径。现阶段的教学实验以验证性实验为主，枯燥无味，打击了学生学习这一门课程的积极性。因此，因材施教，在增加实验课程学时的同时，将实验课程分为课程验证实验，课程设计实验以及课程创新实验。这对教师备课有了更高的要求。验证性的实验只需要照本宣科，但是课程设计实验以及课程创新实验需要老师非常熟悉计算机图形学的发展前沿，启发学生获得他们的课程题目，从而有目的地进行实验，学习更加自主，学习效果更好。实验内容以培养学生图形学算法的设计能力、图形软件的开发能力为原则，合理分配实验环节。在实验环境上，采用国际流行的开源平台，帮助学生跟深入理解图形学。
　　（三）启发教学，思路新颖
　　大学是学生的舞台，在这里教师做引路人，培养他们创新思维能力，学生做舞台上的表演者，展现他们的个性，留下精彩。以建构主义为指导思想，提倡将问题还给学生，让他们经历完整的问题探究―分析―解决过程，并在此过程中建构知识，培养能力。计算机图形学需要学生在了解掌握其基本思想理念之后，结合自己的想法，找到学习这门课程的兴趣与运用这门课程的窍门。使用启发式的教学模式能够让学生脑洞打开，从不同的角度去诠释计算机图形学，更好地掌握计算机图形学的精髓。教师本身有自己的研究领域，将其应用于教学固然很好，但是，这一研究领域需要突破，采用头脑风暴式的形式既有利于拓宽计算机图形学的研究范围，找到新的思路，也可以引领新一代大学生带着满腔热血走向科学研究之路，为国家新兴产业贡献自己的一份力量。 　　（四）案例教学，学以致用
　　学习是为了更好地服务社会，服务国家。仅仅知道计算机图形学原理，仅仅学会公式的推导，仅仅能够做一些简单的验证性实验，离国家旨在培养高水平人才的目标相差甚远。目前，我们需要培养的是学生能够将所学用于实际，解决实际问题，创造性地生产出有利于人民生产生活的产品或服务。案例教学，将计算机图形学领域最新的研究成果和最先进的研究思维注入教学过程中，结合OpenGL，用实际案例熏陶学生，学习已有先进技术，激发学生对于科学研究的热情，自主学习，主动探索，充分调动数以亿计的脑细胞，在现有技术的基础上，能再创奇迹。计算机图形学的教学核心应该是重视基础，增强应用，联系实际。步步递升，一切为科学技术发展。
　　（五）调整学习时间，避开忙碌学期
　　计算机图形学是一门实用性非常强的学科，需要学生集中精力与时间来学习。大四的上学期是学生四年以来最为忙碌的一个学期，各种想法在此时都会在头脑中闪现。集中精力学习一门新的课程成为了一件奢侈品。相反，大三的上学期，正是学生们找到自己的未来方向，各门基础课程都已学习完毕的时候，此时，学习计算机图形学是最佳时期，计算机图形学说需要的辅助学科不需要重新巩固，省时，省力；学生此时也正逢一门心思的学习，正是培养学习方向的时候。学好计算机图形学对学生将来的就业也是不小的帮助。
　　（六）灵活考试模式，科学考试评价标准
　　目前，计算机图形学的考试模式仍然采用闭卷考试的形式。这一形式束缚了学生学习这一门课程的学习空间，只能考核学生的记忆能力和简单的推理能力。容易导致学生一味追求考前突击，临时抱佛脚，而不注重平时知识的积累和实质性掌握。导致学生知识结构不成体系，难以应用。如果以创新课程设计取代传统的考试，要求学生利用整个学习时间，完成一创新课程设计，学习效果必将会事半功倍。无可厚非的是，创新设计的考题需要教师在教学过程中充分调动学生学习的积极性与主动性，不然，考试答案必将以雷同的形式收场，达不到最初设定这种考试形式的初衷。另外，创新课程设计没有标准的考试答案，只需要有创新点，以学生能力培养为导向，鼓励创新，鼓励思维的扩散。
　　三、结论
　　计算机图形学是一门发展速度很快的交叉性学科。文章针对目前计算机图形学教学过程中存在的一些问题，分别从教学内容体系完善方面，案例设计方面，时间调整，考试模式方面做了初步研究，结合自身教学实践，给出了简单建议。目前，国内关于计算机图形学的教学模式还存在许多不足，还需要相关的研究人员做进一步的研究。
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